鞍鋼冷軋廠聯(lián)合機組系統(tǒng)升級關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用

柳軍，張哲

（鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司冷軋廠一分廠聯(lián)合機組改建于2000年，經(jīng)過多年運行，電控系統(tǒng)老化，部分設(shè)備已遭淘汰，備件問題突出；機組運行不穩(wěn)定，故障多，系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)落后。生產(chǎn)寬薄料及中高強鋼受限，產(chǎn)品板形和厚度都無法滿足高精度要求[1]。

此次改造主要是針對三電系統(tǒng)，對過程自動化、基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)進行升級。出于“低投高效”的考慮，外圍硬件部分充分利舊，因此需解決大量接口以及軟硬件匹配問題；應(yīng)用當(dāng)前軋制新技術(shù)和新功能，整體提升裝備水平，增強機組軋制控制能力，改善運行效率，既是設(shè)備穩(wěn)定運行、規(guī)避風(fēng)險的需要，也是提升產(chǎn)能，拓寬軋制品種，提高質(zhì)量和運行控制能力的需要。

1 電控系統(tǒng)升級關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

在滿足主體功能改造的前提下，三電升級方案既要考慮節(jié)省投資，也要考慮降低施工難度；控制系統(tǒng)選用更多地考慮裝備的兼容性、先進性、可靠性、可擴展性和將來操作維護的方便性。聯(lián)合機組電控系統(tǒng)升級改造中主要應(yīng)用技術(shù)包括 “換頭術(shù)”技術(shù)、電控設(shè)備升級技術(shù)、軟件平臺、人機接口、過程控制系統(tǒng)升級，同時改進程序，完善控制功能，優(yōu)化系統(tǒng)測試和調(diào)試方法等。

1.1 “換頭術(shù)”技術(shù)方法的應(yīng)用

所謂“換頭術(shù)”，即將核心控制部分予以升級，外圍設(shè)備利舊的一種改造方法。全部邏輯控制PLC由S5系統(tǒng)升級為S7系統(tǒng),技術(shù)控制SIMADYND系統(tǒng)升級為TDC系統(tǒng)。升級中央框架及分布式IO子站的結(jié)構(gòu)。原有的控制柜體、柜外通訊接線、電纜利舊，柜內(nèi)重新布置，現(xiàn)場設(shè)備及線路基本保持不變。新增設(shè)備的IO子站增加到改進后的系統(tǒng)中。增加適配裝置，解決原有外設(shè)與新系統(tǒng)的接口問題。

1.2 電控設(shè)備升級技術(shù)的應(yīng)用

（1）光耦合器兼容性問題。重新配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和參數(shù)，解決新、舊光耦合器無法通訊問題。

（2）模擬量模板改進組態(tài)方法，參數(shù)重新配置，解決舊模擬量輸入模塊在新系統(tǒng)平臺下報警問題。

（3）編碼器模塊兼容性問題。選用系統(tǒng)編碼器采集模塊FM450替換原系統(tǒng)IP241模板，重新編寫同步功能函數(shù)塊，解決了電動壓下位置控制的碼盤無法同步和讀取問題。

（4）測量儀表的參數(shù)匹配問題。原S5系統(tǒng)使用的儀表匹配功能塊參數(shù)與新系統(tǒng)不同，原程序中參數(shù)無法移植到新系統(tǒng)，因此分析出各種儀表物理量對應(yīng)關(guān)系，移植到新系統(tǒng)各模塊參數(shù)進行使用。

1.3 軟件平臺升級技術(shù)的應(yīng)用

控制軟件平臺全面升級，使用新的運行庫，重新編寫控制程序。S5系統(tǒng)升級為PCS7系統(tǒng)；STRUC-G升級為CFC，控制程序按原功能重新編寫。HMI升級為WinCC8.0平臺，全部畫面腳本重新編寫。

PLC編程平臺升級為新的編程平臺，制定了PCS7編程指導(dǎo)，包括Faceplate診斷及信息的編程方法，程序結(jié)構(gòu)及文本定義等編程指導(dǎo)文檔。同時規(guī)范編程方式，完成新平臺下的程序編寫，降低錯誤率，提高編程效率。

控制程序編制中，涉及到利舊設(shè)備的接口部分，各區(qū)段接口程序?qū)ζ溥M行專項研究，總結(jié)出典型設(shè)備的PLC升級程序包，如傳動T100接口改進，電動壓下控制程序改進，PLC系統(tǒng)時鐘同步功能，單體設(shè)備接口控制程序，及編碼器、PDA接口等。

1.4 人機接口

整體升級硬件系統(tǒng)，對所有客戶機進行更新。配置2臺服務(wù)器及22臺客戶機，服務(wù)器通過以太網(wǎng)與酸軋基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)相連，采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)并統(tǒng)一在服務(wù)器上進行存儲和處理。

升級系統(tǒng)軟件，使用當(dāng)前主流操作系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，方便軟件開發(fā)調(diào)試。

全面升級應(yīng)用軟件，升級WinCC，創(chuàng)立PL和TCM兩個項目，利用畫面按鈕對兩個項目進行切換。PL和TCM存儲在不用的服務(wù)器中，OS客戶機可以分別調(diào)用，方便維護和問題排查，節(jié)省系統(tǒng)資源。同時采用雙屏顯示技術(shù)，避免多窗口切換。

DP診斷、傳動及單體設(shè)備的控制與報警，直接使用WinCC內(nèi)部控件，將控制啟停、報警信息集成展示、復(fù)位操作，及狀態(tài)顯示多功能集為一體，集成化高，使用方便，易于現(xiàn)場操作。增加關(guān)鍵變量歷史趨勢曲線，方便現(xiàn)場人員查閱和分析。

將板型儀融合到WinCC畫面中，減少了硬件的使用，降低了成本。

1.5 過程控制系統(tǒng)升級

過程控制系統(tǒng)由軋機服務(wù)器、酸洗服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器3部分組成，修改物料跟蹤、設(shè)定值計算、速度優(yōu)化等多個程序，增加Steel_Mark字段。修改生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)原料數(shù)據(jù)管理流程，實現(xiàn)完整的生產(chǎn)計劃管理，并自動管理鋼卷主數(shù)據(jù)；調(diào)整全線速度優(yōu)化程序，修改工藝參數(shù)；修改三級通訊程序，實現(xiàn)TCP/IP雙向通訊；修改物料跟蹤程序，解決物料跟蹤數(shù)據(jù)出錯或顯示出錯問題；開發(fā)多個調(diào)試用軟件工具，包括批量鋼卷數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具、三級通訊狀態(tài)監(jiān)控和管理工具、程序運行監(jiān)控程序、焊機參數(shù)管理工具等。

1.6 完善程序功能

通過分析通訊機理，研究酸洗到軋機前交付鋼卷信息，提出解決方案。軋機接收到指定的報文后立即根據(jù)報文內(nèi)容協(xié)調(diào)軋機二級計算機開始預(yù)計算。數(shù)據(jù)交付通過以太網(wǎng)傳輸，解決報文丟失問題。傳動網(wǎng)絡(luò)提速技術(shù)能夠提高傳動通訊速率，滿足厚度控制提高要求。

采用檢查臺皮帶與卷取機速度同步技術(shù)，調(diào)節(jié)皮帶與鋼板實際速度相匹配，在開卷和收緊時保持微小速差使鋼板平直。增加厚差，卷重超差等報警及安全關(guān)斷功能。

1.7 系統(tǒng)測試和調(diào)試方法的優(yōu)化

為了減少調(diào)試時間，鞍鋼股份有限公司組織各單位共同在現(xiàn)場進行酸軋控制程序聯(lián)合系統(tǒng)測試，制定測試計劃、項目和標(biāo)準(zhǔn)。完成100余個測試項目，基本涵蓋生產(chǎn)運行所需的所有功能，達到了預(yù)期效果。采用分段調(diào)試法，將聯(lián)合機組分為酸洗入口段、焊機段、1#至5#張力輥段、軋機段四部分進行分段調(diào)試。在酸洗段與軋機段聯(lián)機前，安排酸洗熱負荷試車工作，聯(lián)機后采用重卷模式進行測試，在保證酸洗調(diào)試質(zhì)量的同時，還提高了軋機的熱負荷調(diào)試效率。

2 機組新功能及創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

2.1 重卷和甩機架運行模式應(yīng)用

機組新增重卷以及保證厚度精度的甩機架運行模式，規(guī)避設(shè)備風(fēng)險，提高機組柔性生產(chǎn)能力。

當(dāng)某個機架的設(shè)備出現(xiàn)故障或生產(chǎn)普通鋼質(zhì)及常規(guī)規(guī)格帶鋼時,可甩開該機架繼續(xù)生產(chǎn),甩機架運行模式通過HMI選擇，發(fā)送給過程計算機。計算機經(jīng)計算將總壓下率分配給4個機架，將軋制力、速度、張力、厚度等閉環(huán)系統(tǒng)全部切除,完成操作條件及傳動系統(tǒng)的模擬,保證4個機架能穩(wěn)定運行。

2.2 軋機斜楔增厚技術(shù)應(yīng)用

連續(xù)軋制時，軟硬鋼質(zhì)焊接在一起，如果前一個帶鋼是偏硬的鋼質(zhì)而后一個帶鋼是偏軟的鋼質(zhì)，在楔形過度階段，楔形區(qū)中的兩段帶鋼軋制力存在偏差。如果兩段帶鋼軋制力偏差較大，由于系統(tǒng)響應(yīng)問題，會造成軋制力波動，增加斷帶幾率。因此增加斜楔增厚功能，在道次設(shè)定值計算時，根據(jù)軋制力差值進行判斷，若差值大于30%，在帶鋼進入楔形區(qū)前減少軋制力，以降低跳變。

2.3 關(guān)鍵檢測儀表的優(yōu)化配置

本次改造在不過多增加大型智能檢測儀表設(shè)備的前提下，調(diào)整2#機架前測厚儀到2#機架后，實現(xiàn)2#機架反饋控制和3#機架前饋控制，增加控制能力。調(diào)整0#機架前激光測速儀到4#機架前，增加2套磁感應(yīng)式增量型編碼器，分別安裝于1#機架和2#機架間，2#機架和3#機架間張力輥上，用于對機架間帶鋼實際速度進行實時測量。關(guān)鍵檢測儀表改造前后具體配置見圖1和圖2。

圖1 關(guān)鍵檢測儀表改造前配置

圖2 關(guān)鍵檢測儀表改造后配置

在實際應(yīng)用中需采用數(shù)學(xué)模型對前滑系數(shù)進行計算。在機組低速運行時，依據(jù)軋制力、速度實際值對前滑系數(shù)要進行適當(dāng)補償[2]，這樣就實現(xiàn)了所有機架帶鋼速度均可測量，提高前滑值計算的準(zhǔn)確性，為整個前滑模型優(yōu)化提供了可行性，有利于成品帶鋼出口厚度精度的提升。

2.4 新擴展秒流量技術(shù)的應(yīng)用

聯(lián)合機組電控升級AGC控制方式中應(yīng)用新擴展秒流量原理，擴展秒流量和新擴展秒流量控制圖見圖3和圖4。際值對前滑系數(shù)要進行適當(dāng)補償[2]，這樣就實現(xiàn)了所有機架帶鋼速度均可測量，提高前滑值計算的準(zhǔn)確性，為整個前滑模型優(yōu)化提供了可行性，有利于成品帶鋼出口厚度精度的提升。

圖3 擴展秒流量控制圖

圖4 新擴展秒流量AGC控制圖

擴展秒流量控制方式與常規(guī)秒流量控制方式的區(qū)別在于軋機入口張力不再由入口張力輥控制，而是改為采用調(diào)節(jié)第l架軋機輥縫的方式來控制，入口張力輥的控制方式也由間接張力控制改為速度控制[3]。新擴展秒流量技術(shù)是在擴展秒流量控制方式基礎(chǔ)上，對第1架(即0#機架)監(jiān)控方式進行改進，由控制輸出作用于入口張力輥改為作用于本機架，這樣能保證第1機架入口秒流量預(yù)設(shè)目標(biāo)值不變，使進入機架的秒流量成為不受其他因素干擾的恒定值，對于厚度控制精度以及快速性的保證大有益處，同時對軋機系統(tǒng)第1機架后檢測儀表的測量誤差也有了更大的容錯性，避免了4#機架出口監(jiān)控AGC的大范圍輸出調(diào)整，對于出口厚度超差長度有較好的控制。

2.5 實現(xiàn)全機架偏心補償控制

出于冷軋板厚度控制精度提高以及減少換輥次數(shù)，提高軋機運行效率的考慮，軋輥偏心問題對鋼板質(zhì)量的影響，就會體現(xiàn)得更加明顯，偏心補償勢在必行，變成AGC系統(tǒng)中一個重要環(huán)節(jié)[4]，本項目中首次實現(xiàn)全機架偏心補償控制，效果明顯，厚度控制精度顯著提高，啟用和關(guān)閉補償控制厚度偏差頻譜圖見圖5和圖6。

圖5 生產(chǎn)中關(guān)閉偏心補償功能

圖6 生產(chǎn)中接通偏心補償功能

0#機架以其出口厚度作為偏心信息，2#機架和4#機架以出口張力及出口厚度作為偏心信息，而1#、3#機架則以架后張力作為偏心源。輥系偏心源輸入信號經(jīng)均值計算并快速進行傅里葉頻譜分析，對信號量進行頻率分解，分析各頻率信號幅值、相位[5]，同時采集架前相關(guān)信息，予以區(qū)分是否由軋輥偏心帶來的諧波。偏心信號實時值經(jīng)觀測器輸入，計算處理后得到偏心控制值，經(jīng)過控制器處理后作為液壓壓上伺服系統(tǒng)的位置設(shè)定點的附加值，接入系統(tǒng)進行實時補償控制。

3 實施效果

鞍鋼技術(shù)人員根據(jù)生產(chǎn)工藝特點，組織研究工藝技術(shù)方案和系統(tǒng)升級技術(shù)，完成生產(chǎn)線單體設(shè)備選型，對設(shè)備和控制系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)計計算，并完成系統(tǒng)編程、測試和調(diào)試工作。

系統(tǒng)經(jīng)改造升級后，所有鋼質(zhì)規(guī)格的厚度精度、板形精度均有明顯改善，尤其是優(yōu)板和中高強鋼改善尤為突出；機組斷帶率降低86%以上，產(chǎn)能明顯增加，具備年產(chǎn)175萬t的生產(chǎn)能力。創(chuàng)效能力增加明顯，機組改造后當(dāng)年新增利潤1.4億元。

4 結(jié)語

鞍鋼股份公司冷軋廠在系統(tǒng)升級改造過程中，堅持工藝優(yōu)先，優(yōu)化改進控制模式，充分評估，完善控制功能，更新升級關(guān)鍵工藝控制設(shè)備，研究與解決大量接口問題，研發(fā)升級技術(shù)功能包，電控系統(tǒng)采用“換頭術(shù)”提高自動化程度的同時，盡量利用舊設(shè)備，實現(xiàn)低投高效，給公司帶來較大的經(jīng)濟效益。該機組在原工藝基礎(chǔ)上進行技術(shù)改進，科學(xué)合理，裝置運行可靠，對老機組進行利舊改造，尤其對系統(tǒng)進行更新升級改造，具有很好的借鑒價值和推廣前景。

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